HZB-Patent zur Halbleitercharakterisierung geht in die Serienproduktion
Der patentierte Monochromator besteht aus einer Quarzglasoptik mit zwei Prismen und einigen Linsen. Auf dem Foto sieht man den mittleren Spalt, an dem das Spektrum bereits zerlegt ist, die Zwischenlinse und das zweite Prisma mit grünen Reflexen im Hintergrund. © T. Dittrich / HZB
Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau des Monochromators aus verschiedenen optischen Elementen. © HZB
Ein HZB-Team hat mit Freiberg Instruments einen innovativen Monochromator entwickelt, der nun auf den Markt kommt. Das Gerät ermöglicht es, die optoelektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien kontinuierlich und rasch mit hoher Präzision zu erfassen, und zwar über einen breiten Spektralbereich vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett. Dabei wird Streulicht effizient unterdrückt. Die Innovation ist für die Entwicklung neuer Materialien interessant und auch einsetzbar, um industrielle Prozesse besser zu kontrollieren.
Elektronik, Leistungselektronik, Leuchtdioden, Sensoren, Photokatalyse bis hin zur Photovoltaik, diese Technologien basieren auf Halbleitern mit Bandlücken vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett. Haltleitermaterialien mit interessanten optoelektronischen Eigenschaften werden beständig neu entwickelt und weiterentwickelt. Dabei benötigt man insbesondere für die spektralabhängige photoelektrische Charakterisierung halbleitender Materialien Lichtquellen, deren Photonenenergie sich kontinuierlich variieren lässt. Solche Lichtquellen bestehen aus einer Lampe, die Licht über einen weiten Spektralbereich emittiert, und einem Monochromator, mit dem man Licht in engen Spektralbereichen herausfiltert. Kommerziell gelangen bislang nur Monochromatoren mit Beugungsgittern zum Einsatz, wobei bis zu 5 verschiedene Beugungsgitter für die Abdeckung weiter Spektralbereiche notwendig sind.
Patentierter Monochromator
Am HZB hat nun ein Team um Dr. Thomas Dittrich zusammen mit HEREON einen spiegellosen Doppelprismen-Monochromator basierend auf Quarzglas entwickelt. Da Quarzglas in einem Spektralbereich von etwa 0.4 bis über 7.3 eV transparent ist, lässt sich Licht mit nur einem Quarzglasprisma über diesen Bereich spektral zerlegen. Ein erster Prototyp wurde zusammen mit Freiberg Instruments realisiert. Der neuartige, inzwischen patentierte, Monochromator besteht aus einer Quarzglasoptik mit zwei Prismen und einigen Linsen, wobei neben der dispersionsabhängigen Drehung der Prismen auch eine präzise Einstellung der Linsen über Schrittmotoren erfolgt. Eine lasergetriebene Xenon-Lampe sorgt für hohe Lichtintensitäten auch im tiefen Ultraviolett.
Rasche Charakterisierung
Der neue Monochromator ermöglicht es, optoelektronische und optische Eigenschaften halbleitender Materialien in einem einzigen kontinuierlichen Messvorgang über einen sehr breiten Spektralbereich vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett zu erfassen. Ein weiterer Vorteil: Das Streulicht wird dabei sehr stark (um über acht Größenordnungen) unterdrückt, was den Monochromator insbesondere für die photoelektrische Charakterisierung von Defekten in Halbleitern prädestiniert. Aufgrund der hohen Intensität bis ins tiefe Ultraviolett hinein eignet sich der Monochromator auch hervorragend für die Charakterisierung von Halbleitermaterialien mit großen oder ultragroßen Bandlücken wie Siliziumkarbid und Galliumoxid für Hochleistungselektronik, Diamant für IT-Technologien und Galliumnitrid für Optoelektronik. So konnten mit Hilfe des neuen kompakten Monochromators erstmals Defektzustände über den nahezu gesamten Bereich der Bandlücke von Aluminiumnitrid innerhalb nur weniger Minuten charakterisiert werden.
Große Verbesserung
Der neue Monochromator verbessert die Charakterisierung elektronischer Eigenschaften insbesondere von Halbleitern mit großer und ultragroßer Bandlücke. Damit ist diese Innovation nicht nur für die Forschung und Entwicklung von neuen Materialien relevant sondern lässt sich auch in Prozessentwicklung und industrieller Prozesskontrolle einsetzen. In Zusammenarbeit mit Freiberg Instruments haben die HZB-Forscher bereits einen Prototypen realisiert und im Fachjournal Applied Optics sowie auf Fachtagungen vorgestellt. Freiberg Instruments will diesen kompakten Monochromator nun in Serie fertigen. „Das Interesse ist groß und der Bedarf ist da“, sagt Thomas Dittrich.
- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
- Gemeinsame Power statt doppelter Strukturen:Die Berliner Wissenschaft treibt ihre Forschungsexzellenz durch den Aufbau einer leistungsfähigen, institutionenübergreifend nutzbaren Daten- und KI-Infrastruktur weiter voran. Mit einer am 18. September 2026 unterzeichneten gemeinsamen Vereinbarung ebnen die Berlin University Alliance (BUA), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und das Zuse-Institut Berlin (ZIB) den Weg für ein gemeinsames Data-Science- und KI-Zentrum in Berlin-Dahlem und Adlershof.